劉毅

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 036500）

基于有限元法和CAE技術(shù)的機(jī)械工程研究

劉毅

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 036500）

在當(dāng)前社會(huì)中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，催生了很多新技術(shù)。其中，有限元法、CAE技術(shù)等在很多領(lǐng)域當(dāng)中都得到了廣泛的應(yīng)用。作為一種高效率計(jì)算方法，有限元法能夠基于變分原理，將泊松方程求解轉(zhuǎn)化為泛函求解的方法，在物理場(chǎng)中發(fā)揮了極大的作用。在工程設(shè)計(jì)中，利用CAE技術(shù)能夠?qū)?fù)雜產(chǎn)品或工程的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進(jìn)行分析和優(yōu)化。在機(jī)械工程當(dāng)中，有限元法和CAE技術(shù)的應(yīng)用，具有非常重要的意義。

有限元法；CAE技術(shù)；機(jī)械工程

前言

近年來，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生的有限元法、CAE技術(shù)等，具有十分良好的應(yīng)用效果，在很多領(lǐng)域中，都是必不可少的重要技術(shù)。在現(xiàn)代機(jī)械工程領(lǐng)域當(dāng)中，對(duì)有限元法和CAE技術(shù)進(jìn)行良好的應(yīng)用，能夠極大的提升機(jī)械工程工作效率。在CAE技術(shù)當(dāng)中，作為一種計(jì)算機(jī)輔助工程，其中融合了有限差分算法、邊界元算法、有限元算法等技術(shù)，在開發(fā)、設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品的過程中，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 CAE技術(shù)

CAE技術(shù)指的是計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，通過對(duì)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，對(duì)復(fù)雜的產(chǎn)品、工程等進(jìn)行研究，以了解其彈性、熱傳導(dǎo)、動(dòng)力響應(yīng)、屈曲穩(wěn)定性、剛度、強(qiáng)度等性能參數(shù)，并通過相應(yīng)的計(jì)算分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該機(jī)是在20世紀(jì)中后期開始得到應(yīng)用，并得到了迅速的發(fā)展。目前，在土木工程、建筑工程、機(jī)械工程等領(lǐng)域當(dāng)中，該技術(shù)都發(fā)揮著重要的作用[1]。隨著科技的迅速發(fā)展，在CAE技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，也得到了不斷的優(yōu)化和更新，因而具有了更加準(zhǔn)確的計(jì)算精度和更加完善的系統(tǒng)功能。在CAE技術(shù)當(dāng)中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)離散化使其核心的步驟，利用相應(yīng)數(shù)量的離散規(guī)則單元對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，通過分別分析各個(gè)離散單元，最終實(shí)現(xiàn)分析整體結(jié)構(gòu)的目的。

2 有限元法和CAE技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在機(jī)械工程領(lǐng)域當(dāng)中，過去的生產(chǎn)流程主要是結(jié)合專家小組成員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制定，先制造和測(cè)試樣機(jī)，根據(jù)樣機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行相應(yīng)的修改，最終得到性能質(zhì)量合格的產(chǎn)品。在這樣的生產(chǎn)流程中，不但具有較低的效率，同時(shí)也會(huì)造成大量的資源浪費(fèi)。對(duì)此，為了對(duì)機(jī)械工程生產(chǎn)效率進(jìn)行提升，應(yīng)當(dāng)對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式進(jìn)行轉(zhuǎn)變。通過對(duì)CAE技術(shù)的運(yùn)用，能夠省去制造和測(cè)試樣機(jī)的流程，降低資源浪費(fèi)，縮短開發(fā)周期，提升生產(chǎn)效率。另外，對(duì)于產(chǎn)品中隱藏的問題，通過CAE技術(shù)也能夠予以發(fā)現(xiàn)并技術(shù)解決。在CAE技術(shù)當(dāng)中，有限元法發(fā)揮著重要作用，相比于其它的算法，有限元法在機(jī)械工程中的適應(yīng)性更為良好。例如，可通過有限元法在流體、電磁等物理場(chǎng)中，更好的進(jìn)行耦合場(chǎng)分析，具有更為良好的效率和效果[2]。在有限元法當(dāng)中，利用若干離散的小單元，對(duì)一個(gè)整體、連續(xù)的求解區(qū)域進(jìn)行劃分，將假設(shè)的計(jì)時(shí)函數(shù)建立在各個(gè)單元當(dāng)中，對(duì)求解區(qū)域當(dāng)中位置的場(chǎng)函數(shù)進(jìn)行待變。通過差值函數(shù)、未知場(chǎng)函數(shù)等，能夠?qū)坪瘮?shù)進(jìn)行建立。對(duì)于連續(xù)無限自由度問題，采用有限元法可將其轉(zhuǎn)化為離散有限自由度的問題進(jìn)行解決。

3 基于有限元法和CAE技術(shù)的機(jī)械工程

有限元法指的是對(duì)偏系數(shù)微分方程、常系數(shù)微分方程等進(jìn)行求解的一種算法，因此，利用有限元法，可以解決所有與微分方程求解有關(guān)的工程問題。在機(jī)械工程領(lǐng)域當(dāng)中，和微分方程之間具有較為密切的聯(lián)系，因此，在進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的過程中，對(duì)于工程當(dāng)中遇到的一些問題，可以采用有限元法進(jìn)行良好的解決。在基于有限元法和CAE技術(shù)的機(jī)械工程當(dāng)中，具有很多方面的特點(diǎn)。

在機(jī)械工程當(dāng)中，能夠采用很多不同的方法對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行組合，并且在不同的單元中，其形狀也各不相同[3]。對(duì)此，對(duì)于機(jī)械單元中的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，能夠通過有限元法進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬，從而對(duì)問題的解決進(jìn)行得出。在機(jī)械工程當(dāng)中，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)是一個(gè)重要步驟，而通過對(duì)有限元法的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化的問題解決方案，從而對(duì)已知計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行更加靈活、充分的應(yīng)用，使問題求解的難度得到降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)效率的良好提升。

在機(jī)械工程當(dāng)中，一個(gè)非常重要的參量就是邊界條件，通常在機(jī)械體總體剛度方程之后，對(duì)其進(jìn)行引入。因此在機(jī)械模型、邊界條件之間，必須確保獨(dú)立性，通過對(duì)有限元法的應(yīng)用，能夠?qū)@一要求進(jìn)行滿足。在過去的機(jī)械工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)針對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的插值函數(shù)進(jìn)行建立，而應(yīng)用了有限元法，則能夠?qū)⑦@一函數(shù)省去，只要將插值函數(shù)建立在單元內(nèi)部，能夠使處理難度有效降低，同時(shí)對(duì)解決方案的應(yīng)用范圍進(jìn)行擴(kuò)充[4]。在機(jī)械工程中，具有非均勻連續(xù)介質(zhì)的設(shè)計(jì)問題，因而應(yīng)用有限元法能夠更好的進(jìn)行適應(yīng)。非線性問題求解也是機(jī)械工程中的一個(gè)重要問題，而有限元法恰好能夠?qū)@些問題進(jìn)行更為有效的解決。另外，有限元法的結(jié)合性較為良好，和不同的設(shè)計(jì)方法之間，能夠進(jìn)行有效的配合，提升設(shè)計(jì)的可靠性，從而促進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品效率和質(zhì)量的提升。

4 結(jié)論

在當(dāng)前的社會(huì)當(dāng)中，CAE技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的一種計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，在很多工程領(lǐng)域當(dāng)中，都有著十分廣泛的應(yīng)用。在CAE技術(shù)當(dāng)中，有限元法是一種十分有效的算法，在實(shí)際應(yīng)用中也具有很多的優(yōu)勢(shì)。在機(jī)械工程領(lǐng)域當(dāng)中，針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)有限元法和CAE技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，能夠有效的提高機(jī)械生產(chǎn)的效率，對(duì)于機(jī)械工程領(lǐng)域的發(fā)展有著很大的幫助。

[1]吳淑芳，王宗彥，黃 飛，王 喬，秦慧斌.基于U/S/W體系結(jié)構(gòu)的快速響應(yīng) CAE 技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2014，02：343～350.

[2]孫海霞，戴京濤，姜偉，唐仁剛.有限元法在機(jī)械工程中的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，03：84.

[3]夏鴻建，張繼偉，陳新度.面向CAD系統(tǒng)的連續(xù)體結(jié)構(gòu)形狀與拓?fù)鋬?yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，23：147～155.

[4]麻芳蘭，陳遠(yuǎn)玲，耿葵花.專業(yè)論證形勢(shì)下計(jì)算機(jī)輔助工程分析課程實(shí)踐教學(xué)方法研究[J].高教學(xué)刊，2015，08：46～48.

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1004-7344（2016）18-0285-01

2016-6-10